Ильинская церковь впервые упоминается в писцовых книгах 1627 и 1628 годов как деревянный храм. В нём были пределы в честь Святых Бориса и Глеба и великомученицы Екатерины. В 1739 году началось строительство нового каменного храма, финансируемого купцами Яковом Лисицыным и Харитоном Антоновым Пастуховым. К 1760 году был возведён каменный двухэтажный храм. Первый этаж был отапливаемым с приделом Святой Екатерины, а второй, холодным, с приделами пророка Илии, Казанской иконы Божией Матери и Святых Бориса и Глеба. Крыша была покрыта медного цвета железом. Пол в алтаре второго этажа был каменным, а на первом этаже, деревянным. К храму пристроили деревянную колокольню с семью колоколами. Окна были из дуба и защищены железными решётками. Святой престол и жертвенник изготовили из дуба, верхняя доска престола была из кипариса, а святой антиминс, из белого атласа.

В храме хранилось множество древних икон, включая образ Пророка Илии, Спасителя, святых Бориса и Глеба, Страшного суда Божьего и Пресвятой Богородицы Страстной, которую, по преданию, подарила храму императрица Елизавета Петровна. Храм был богато украшен церковной утварью, включая медные посеребренные паникадила, предобразные лампады, хрустальные и серебряные лампады, а также подсвечники из красной и жёлтой меди.

С 1884 по 1917 годы в приходе храма действовало церковно-приходское училище. В конце XIX века внешний облик храма изменился, приобретя черты псевдорусского стиля.

С 1924 по 1943 год храм служил кафедральным собором Тулы. Во время Великой Отечественной войны в нём располагался столярный цех, в конце 1980-х, швейная мастерская, а в начале 1990-х, Центральное конструкторское бюро.

1 марта 2006 года храм был возвращён верующим, а 2 августа там прошла первая служба под руководством архиепископа Тульского и Белевского Алексия. В настоящее время в храме продолжаются восстановительные работы.